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[求助] 统一场论(天体物理1)

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henryharry2 发表于 2012-11-16 10:21:13 | 显示全部楼层

耀斑

 
temp.JPG
剧烈活动的太阳上的明亮耀斑,由太阳和太阳风层天文台在紫外光波段上拍摄。耀斑爆发利用大量磁能,把物质以每小时几百万千米的速度抛入太空。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-18 11:36:02 | 显示全部楼层

磁重联机制的提出

 
宇宙的可见物质中99.9%以上是由气体电离后形成的等离子体组成,并经常处在湍流状态。在湍流满足一定条件的地方,任何微弱磁场会由于发电机效应而不断放大直至饱和形成强磁场。由于等离子体的高导电性,磁力线“冻结”其中并随等离子体运动而在空间中扩展,不同方向(甚至反向)的磁力线不可避免地相遇。在真空中,当两块条形磁铁相互靠近时,磁力线会不断重组,如图1(a)所示;但在等离子体中,由于“冻结”效应的存在,反向平行的磁力线相互靠近时不会随意断开、重组,而在在分界面处不断累积,磁能持续增加,如图1(b)所示。这样,分界面处便产生强且垂直于纸面的电流集中在很薄的区域,通常称为电流片。也就是说,在天体等离子体中,电流片不可避免地会在很多地方产生,并伴随磁能的积累,而释放这些磁能的一种有效机制便是磁重联。

早在1946年,科学家便提出太阳耀斑是由于在磁零点(磁场为零的点,如X型磁场的中心点)附近加速的电子轰击太阳色球产生。之后,相似的模型被用来解释地球磁层亚暴。1953年,唐吉解析求解描述等离子体的磁流体力学方程组,发现X型磁场属不稳定结构,任何小扰动都能使它坍缩形成电流片。他首次提出磁流体的磁力线可以“断开并重新连接”。同年,柯林指出如果太阳耀斑是由电流的焦耳耗散加热,则电流须集中在几米厚的薄片内。
斯卫特在1956年的会议上指出,反向平行磁力线以准静态靠近时,为了维持水平方向力的平衡,电流片处气体压力将与左右两侧磁压力相当,如此大的压力将驱使物质沿着电流片上下两端分别向上下方向逃逸。太阳风理论的提出者帕克教授听了报告后凭着深厚的数学功底,很快建立起这个过程的基本框架,并创造了“磁力线重联”及“磁场并合”等概念。这一里程碑式的工作被后人称为磁重联的斯卫特-帕克机制。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-20 12:09:30 | 显示全部楼层

斯卫特-帕克磁重联模型

 
temp1.JPG
图2 (a) 斯卫特-帕克磁重联模型,其中矩形所示的电流片很长;(b) 佩切克磁重联模型,其中矩形所示的电流片很短,粗线表示入流和出流之间的慢激波。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-21 11:59:47 | 显示全部楼层

信息丢失问题

 
黑洞蒸发还提出了一些新的难题,其中最重要的一个或许要数所谓的“信息丢失问题”(information problem),它与黑洞蒸发的最终结果密切相关。
信息消失之所以会成为问题,是因为量子态的演化必须满足所谓的幺正性(unitary, 即任何事件所有可能结果出现的概率之和应始终为1)——这是量子论最基本的支柱之一,由此得出的一个推论就是,任何信息都不应该被永远地真正抹杀。
由于预言霍金辐射的计算过程依赖于半经典引力方法,物理学家无法确定信息丢失是不是计算过程中涉及的近似方法所导致的人为错误,也无法断定在我们找到精确计算方法之后,信息丢失会不会依然出现。如果蒸发过程确实摧毁了信息,正确完整的量子引力方程就必然违背我们所知的量子力学幺正性本质。相反,如果信息得到保留,而且完整的量子引力理论能够揭示信息在辐射时出现在哪里,那么广义相对论和量子力学这两大支柱理论的其中之一,似乎就必须加以修改了。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-21 14:03:36 | 显示全部楼层

宇宙的年龄

 
近来,多国科学家利用美国哈勃望远镜拍摄到一个距地球260亿光年的天体,比此前已知最远的天体还要远将近一倍。目前天文学界还没有能够确定这一天体的性质,专家指出,这一发现对现有解释宇宙的理论提出了挑战。此前,天文学界观测到的最高的红移值为6.68,距地球大约是140亿光年。而这次哈勃望远镜拍摄到这一天体的红移值高达12.5,如此推算,可知这一天体与地球距离为260亿光年,这说明这一天体发出的光是经过260亿年的旅行才到达地球的,从而使宇宙年龄比原先认为的大得多。
相对论大师爱因斯坦在1917年提出:“宇宙是一个在空间尺寸方面的有限闭合的连续区域”。他在数学上建立了一个前所未有的“无界而有限”、“有限而闭合”的“四维连续体”,即一个封闭的宇宙。爱因斯坦还曾预言,在宇宙任何一点的发出的光线都会沿着时空曲面返回到它的出发点。
我们现在知道,爱因斯坦提出的模型其实是一个超级宇宙黑洞的四维视界,光子在宇宙中传递时,会由于哈勃红移将其“宇宙电”转换成“宇宙磁”,至于“宇宙磁”何时转换成“宇宙电”似乎遵循一种延迟爆发机制,宇宙中有一个时期的类星体特别多,可能就是“宇宙磁”转化“宇宙电”时的一种效应。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-21 14:13:26 | 显示全部楼层

白洞

 
人们常说,有黑就有白。在我们的身边,正与负、阴与阳、天与地,万事万物皆是如此。那么在宇宙当中呢?当黑洞吞噬着一切物质的时候,是否有一种天体将物质迸射出来?当人们谈论、计算、研究黑洞的时候,有人尖锐地提出了“白洞”这个概念。

黑洞像一个魔鬼,贪得无厌地吞噬着宇宙中的一切物质,包括光在内。只要你靠近它就休想再出来。然而,黑洞吞噬的物质到哪里去了?要知道物质是不灭的,“白洞”之说应运而生。

爱因斯坦的广义相对论曾预言了两种天体,一个是人们早已熟知的黑洞,另一个则是人们比较陌生的白洞。黑洞是“吸入”,白洞则是“吐出”。白洞是一种与黑洞相反的特殊天体。和黑洞类似,它也有一个封闭的边界,聚集在白洞内部的物质,只可能经边界向外运动,而不能反向运动,就是说白洞只向外部区域输出物质和能量,而不能吸收外部区域的任何物质和辐射。白洞把光线和一切物质用强大排斥力喷射出去,使其改变原有的运动方向,朝着其对面方向运行。所以我们可以认为白洞是一种发光的物体,并且是一种发光力极强的物体。也正因为这些特征,我们很自然地把白洞同X射线、γ射线爆发、超新星的爆发、类星体等天文现象联系起来。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-21 14:26:26 | 显示全部楼层

白洞

 
白洞能够源源不断地把物质向外喷射,那么是谁为它提供“后勤供应”呢?这不得不让我们想起黑洞。科学家们推测,黑洞在这一端吸收物质,而在另一端则喷射物质,就像一个巨大的时空隧道。当黑洞把物质吸入后并不是把它完全消化掉,而是以“蒸发”的形式稳定地向外发射粒子。于是,一个令人兴奋的结论产生了:“白洞”很可能就是“黑洞”本身!

也有科学家推测,白洞是一个强引力源,其外部性质与黑洞相同,可以把它周围的物质吸积到边界上形成物质层。那么,白洞存在于哪里呢?有人认为,类星体的核心就可能是一个白洞。当白洞内聚集的超密态物质向外喷射时,就会同它周围的物质发生猛烈碰撞,从而释放出巨大能量。因此,有些剧烈的射电射线现象可能与白洞的这种效应有关。

根据我们的理论,很容易推算出黑洞就是白洞,它们之间的对偶性相当于牛顿-庞加莱统计与Maxwell-Boltzman统计之间的对偶性,牛顿-庞加莱统计是对称统计,提供吸引力;在这里,要将经典的Maxwell-Boltzman统计看成是一种量子统计(在极矢量物理里这个事实不容易看出来,但是在轴矢量世界里,牛顿-庞加莱统计与Maxwell-Boltzman统计之间是超对称的),属于反对称统计,提供排斥力,这个排斥力的作用一是阻止黑洞产生奇点,二是将黑洞转换成白洞。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-24 09:27:30 | 显示全部楼层

宇宙的大小

 
那么,宇宙究竟有多大呢?面对如此难以回答的问题,20世纪的许多科学家给出了丰富的答案。许多人认定宇宙是在大爆炸中诞生的,由此推断,它的体积一定是有限的。因为光速虽然很快,但即使它从大爆炸那一刻开始向四周传播,迄今也只能达到一个有限的距离。既然光是向四周传播的,那么,宇宙很可能是球形的。如果真是这样的话,“有限无边”就是宇宙的形状。至于这个球体有多大,现在还不好说。另一种说法是宇宙的直径至少600亿光年,它比我们想象的要大得多。

最近,天文学家们通过仔细观测微波射线的图谱,计算出宇宙的直径不小于780亿光年。这排除了过去的推断,称宇宙是一个直径仅仅为600亿光年的球形。蒙大拿国立大学物理学家耐尔•科尼什称:“现在留给小宇宙假说的空间已经不多了”。围绕宇宙的争论从未停止过。2003年底,美国的太空网报道,经过艰苦的计算工作,天文学家发现宇宙超乎寻常地大,其长度至少为1560亿光年。

究竟哪个答案是正确的,谁也拿不出让人信服的直接证据。自1990年4月以来,进入太空的哈勃天文望远镜和伽马射线探测器以及其他一些观测仪器对宇宙的结构和演化进行了观测,取得了大量成果。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-24 13:57:49 | 显示全部楼层

从混沌到有序

 
行星的光环有可能用暗物质的超流来解释,在经典引力范畴内,暗物质组成的圈可以产生一个离心势,这个离心势可以与牛顿引力势抵消,从而可以使量子化的超流圈保持稳定状态。但是用这个方法来解释木星的大红斑就不那么容易,因为暗物质粒子不会老实地呆在木星的表面上,假如暗物质存在,也只会围绕木星的表面做高速运动来抵消引力势,这样大红斑可能是一种次级效应;但也有可能氢原子本身组成超流圈,毕竟氢原子很轻,量子效应很强。纯粹用经典效应来解释大红斑恐怕也不灵,因为我们知道只有超流圈才能存在几百年。

庞加莱复现原理体现了引力量子化的必要性。我们知道引力的多体问题不可解,夏志宏证明了即使是三体问题也必然导致混沌行为。另一方面,我们知道,原子中也有多体问题,重原子有几十个电子,按照庞加莱的说法,肯定应当有混沌行为出现,但是没有任何证据表明重原子中的电子有混沌行为。我们知道,大自然是通过量子化来解决这个问题的。牛顿第三定律的量子表述在改善引力场的无穷大方面有良好表现,但是在经典范畴内这一原理与牛顿引力实际上是等价的,仍然不能够排除多体问题的混沌行为,夏志宏的定理仍然成立。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-24 14:14:00 | 显示全部楼层

从混沌到有序

 
可喜的是,牛顿第三定律的量子表述提供了一种通过“蛮力”解释问题的途径;并且看起来大自然正是这么做的,正如重原子中电子的情形一样。也就是说,用量子统计来将混沌行为线性化,经典理论中的依据是混沌中包含了准周期性,另一个依据是普里高津的从混沌到有序的梦想。但是,引力场服从牛顿-庞加莱统计却与普里高津的原始思想有所不同,因为量子统计意味着这不是单粒子效应,正如顺磁性并不是某个粒子的行为一样,而是统计效应。

有可能用暗物质粒子的环型永久电流圈来解释气态行星的光环,碰巧凝聚态物理中也有类似的情形,例如介观物理中的永久电流圈。用暗物质粒子来解释介观物理中的永久电流圈恐怕没有人会相信,但是用牛顿-庞加莱统计来解释应该没有问题,碰巧实验测得的永久电流强度比理论值高二个数量级,也必须用牛顿-庞加莱统计来解释才合理。

这里的相似之处是,利用牛顿第三定律的量子表述,引力场其实也是一种交换力,要将地狼星A和B看成是同位旋。凝聚态磁性物理中也有交换力,可见它们可以服从相同的统计。相变现象给出了证据,因为临界指数β=1/3以及重正化群展开系数ε=1恰好可以这样解释。
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